摘要：伴随预应力结构设计这项新型的技术在建筑工程中的广泛应用，有效地解决了建筑结构中的很多问题。虽然预应力在工程建设中已经使用很多年，但是一项技术只有经过不断的推广更新才能适应新的需求，尤其是在推广更新的过程中往往会出现一系列的问题，人们对它的认识不够深刻，使得此技术难以有效应用到各种工程建设中。加强对预应力结构设计的技术推广更新变得至关重要。本文主要针对预应力结构设计方法及其施工控制问题进行概述。
　　关键词：预应力结构设计施工控制
　　近年来，预应力技术在我国发展迅速，广泛使用于大跨和超大跨度、重载以及使用性能高的结构，其应用范围拓展到高层以结构转换层、钢结构、基础、路面等结构领域。工程实践表明，预应力结构与普通混凝土结构相比，在同样条件下具有截面小，自重轻，质量好，省材料，并能扩大预制装配化度。中山地区，在大跨度的建筑结构中，也有预应力技术实际工程应用。
　　一、预应力结构设计技术方面的问题
　　（一）预应力筋曲线受梁弯矩变化的影响
　　重视工程建设中梁弯矩的变化，既是预应力结构设计的关键，也是工程设计施工最基本的原则，但是在设计以及施工过程中经常会由于经验不足而酿成严重的后果。如果一根两跨连续梁的跨中与边跨的支座部位梁底正截面的受弯承载能力设计值不足，那么会造成一定的安全隐患，导致危险事件的发生。除了经常见于边跨梁中的这种情况发生外，还可能在梁中多个集中荷载作用下，使得大范围内存在梁跨中正弯矩的现象，而靠近支座以及跨中部位的数值变化很小，因此，施工人员应特别注意类似情况下梁的预应力筋设计以及施工问题，尽量避免支座部位因为梁底筋不足而出现过分的盈余。
　　（二）抵抗温度应力受超长预应力结构的影响
　　钢筋混凝土框架或者剪力墙结构依照构造要求伸缩缝的最大间距分别为55mm和45mm，但是绝大部分在建筑施工的设计中，长度一般情况下会超过该数值，因此，经常会在混凝土中采用后浇带分段施工。但是结构往往受到后浇带的影响致使整体性较差，而且一般要求结构施工后经过两个月左右才能够继续进行施工，因此，严重影响对于施工进度的控制，很多施工方都不乐意采用该措施，更不用说是在工期特别紧或者一些特殊的工程。
　　根据上述存在的问题，预应力在结构设计中应该被普遍采用，这种结构设计能够有效的增大伸缩缝之间的间距，这种方法一般情况下可以使长达150m的结构不需要设置伸缩缝，同时也有利于减少或者完全取消掉后浇带的数量。预应力结构能有效的消除超长结构中温度应力的不良影响，而且预应力筋还可以作为结
　　构配筋设计，能够提高工程设计的经济型。
　　（三）预应力中井字梁间的水平内力影响
　　预应力中的井字梁结构由于与其梁、板间的预应压力不一致，因此，会导致井字梁之间产生一定的水平推力，进而破坏预应力中的井字梁，该问题影响预应力工程的结构设计。
　　（四）预应力结构形成后的受力机理
　　在预应力的混凝土结构中，如果混凝土梁以及所配的预应力筋的轴向刚度存在很大的差距，那么，在张拉阶段混凝土筋对混凝土梁产生的影响只能看作是一组等效荷载，在使用阶段，如果它们之间依然存在很大的刚度差，那么荷载变化主要通过混凝土梁正截面上受力情况的变化而展现出来，此时，预应力筋不会产生很大的变化，混凝土的压力以及预应力筋的压力它们之间主要依靠存在的臂力变化来不断适应截面以外弯矩的不断变化；但是在预应力钢结构中却存在不一样的变化，作为主体的钢结构与预应力索之间的刚度差相对而言较小一些，预应力索在其中如果只起调节结构变形和应力的作用，那么在使用荷载的作用下，预应力索的索力变化较大，外弯矩大小的变化主要通过组成力偶的拉压力大小的改变而改变，因此，这个力偶的力臂相对而言要恒定一些。
　　二、预应力结构设计的要点分析
　　（一）预应力结构设计深入到预应力筋中
　　在预应力的混凝土结构中，千斤顶的张拉通常情况下能够有效的实现对于预应力的施加效果，但是在预应力的钢结构中不仅要考虑到千斤顶的张拉，还应该充分考虑到在整个结构的安装过程中或者是个别构件的安装过程中，通过强迫式的变形来施加预应力，还要配置高强度杆件对其结构或者是构件产生一定的预应力。但是在预应力混凝土中却存在一些问题，此时的预应力筋位于结构的内部，因此，不仅索力的调整不是很方便，而且也不利于索的及时更换，但是在预应力的钢结构中，也能够有效地实现对于索力的调整以及索的及时更换。在加固钢结构的过程中，运用最低限度的索力来对构件的尺寸进行进一步的调整，这样能够有效地保证其安全性。
　　（二）预应力混凝土构件裂缝控制的改进
　　在改进预应力的混凝土构件裂缝时按照严格的规定进行等级划分。一般情况下要求不能出现裂缝被分为二级，允许可以出现2.2mm的裂缝被分为三级，二级又被分为二级Ⅰ类和二级Ⅱ类。二级Ⅰ类指一般不要求出现裂缝的构件，二级Ⅱ类一般情况下允许有一定的裂缝出现，按照相关的计算，构件的最大裂缝宽度应控制在0.1mm范围之内。因此，应严格控制混凝土构建的裂缝，保证其安全可靠性。
　　（三）预应力的设计准则遵循超长的原则
　　据相关的资料发现，目前，建筑的平面设计已是越来越复杂，多种的荷载作用存在一些薄弱的环节，在这些薄弱环节中的结构通常情况下与人的感性认识是相悖的。预应力的结构是够超过一定的长度，在本质上并不受结构单位长度的影响，主要受约束的条件以及温度、收缩等各种因素对预应力的构件所产生的影响。根据资料统计，当钢筋混凝土的结构单位长度比例表数值小时，而机构计算表明受各种约束因素的影响使得构件大范围的拉应力都超过了一定的限度，可能导致混凝土结构出现开裂的现象，因此，预应力结构的设计提出了超长设计的准则。
　　（四）体外预应力的设计要求
　　对于体外预应力应配置最小的非预应力的钢筋量，以此能改善受力的特性，使得结构在极限的状态下也能产生塑性及變形的特点；结构体系还应具备足够的延伸性能；预应力的钢材在结构荷载极限的状态下也不应大于其屈服强度；使用状态下的结构体系，还应具备很好的抗裂效果。活荷载的作用下，体外预应力结构的体外束在弯折节点处的滑移量应该较小。
　　三、预应力结构施工阶段的控制分析
　　在预应力钢结构的实际工程操作中，该结构在施工阶段的荷载传力的路线中、支撑的条件以及边界需要的条件和使用阶段是截然不同的，因此，预应力结构内部的分布规律和整体结构的一次性分析结果之间往往存在很大的差异性。对于一部分区域来说，在施工阶段会产生相当大的内力。为进一步保证结构的安全性以及降低预应力所承受的峰值，避免结构产生变形，通常情况下会在施工阶段就加强对结构施加部分的预应力，一方面这可以保证钢结构成形，为钢结构提供一定的侧向支撑；另一方面，还可以满足在施工阶段的拼装、吊装以及滑移的平面内和平面外部的刚度。施工阶段所需要的荷载、边界的条件以及内力的规定都会严重影响到高强预应力钢索的布置情况以及预应力的大小。因此，在施工阶段，应该实行多阶段、分批次张拉的技术，但是还应该充分考虑到预应力所产生的损失，伴随该技术的使用，使得施工工作变得更加方便，进一步提高施工方的经济效
　　益。
　　
　　四、有粘结预应力及无粘结预应力技术在结构中的综合应用
　　有粘结预应力筋除在筋两端有锚具锚固外,还通过波纹管灌浆与施加预应力的混凝土粘结,当锚具失效时水泥浆与预应力筋间也还存在粘结作用,构件在偶然荷载或其他以外情况导致锚具失效时承载力不会大幅度下降,且有粘结预应力混凝土与无粘结预应力混凝土比较,在等量预应力筋的情况下,有粘结预应力筋应力增量大,承载力相应也高,地震作用下延性也好,但在施工质量保证上,有粘结预应力要多出穿波纹管和灌浆两道费时费力的关键工序,张拉过程也较麻烦,故施工速度慢,灌浆的质量较难监控,需采取多种措施保证施工质量良好;结合本工程由于施工工期很紧,施工现场是一个多工种结合同时施工、高劳动强度、连续作战的施工场面,其中每一项工种都有可能导致波纹管穿孔漏浆,导致预应力筋失效。故施工中质量保证措施需花费更多的人力、时间去进行。无粘结预应力靠两端锚具对混凝土施加近乎于均等预应力,施工工艺简单灵活,施工速度快,质量容易保证,张拉端及梁柱节点穿束与普通钢筋的矛盾容易处理,由国内外的大量各种类型的工程实践证明,无粘结预应力混凝土的性能也很稳定,锚具失效的概率很低。
　　五、预应力筋的布置形式
　　内力计算时梁支座负弯矩远远大于梁跨中正弯矩,支座配筋相应比跨中配筋大很多甚至超筋,为适应这一特点,框架梁及X向一级次梁在支座负弯矩峰值范围局部加宽,同时也方便预应力筋的穿束和张拉端的布置,因为支座预应力束是跨中的2 倍且又双向交叉,节点处预应力筋束很密,在该部位加宽截面可给处理波纹管穿管位置互相矛盾时留下空间。
　　预应力筋采用单跨布置的方式,即每跨搭接一次,张拉端设置在梁端加宽部分侧面,在板面预设后浇位落千斤顶,张拉完毕后再浇捣混凝土(见相应图纸) ,这种做法对于该工程主要有以下优点:
　　1) 梁支座处由于预应力筋的搭接,该部位的预应力筋数量约为跨中的2 倍,基本与梁端负弯矩和跨中正弯矩的比例一致,支座预应力搭接端得到充分利用,解决了因支座弯矩控制配筋导致跨中钢筋浪费严重的矛盾;
　　2) 预应力筋单跨布置,预应力损失也大大减少,预应力筋能得到更充分的利用;
　　3) 单跨预应力筋长度约为30 多米,穿束难度比双跨或多跨布置降低很多,施工速度可以加快,施工质量可以保证;
　　4) 由于张拉端基本都在梁侧,单跨布筋可避免张拉端设置在边柱上,不会削弱柱截面;
　　5) 单跨布筋当某跨预应力筋失效时不会影响到相邻跨,结构不会连续倒塌,受力更可靠。
　　
　　六、工程实例
　　中山职业技术学院二期工程图书馆、实验实训楼，其中学术报告厅框架梁跨度为23.7m～20.7m，由于该部分框架跨度大，故采用部分有粘结预应力砼。
　　 预应力抗裂控制：框架梁按三级抗裂控制。即：（1）荷载短期效应组合进行计算时，梁关键截面受拉边缘砼产生的拉应力不超过ctsftk, cts 取不大于1.0; （2）按荷载长期效应组合进行计算时，梁关键截面受拉边缘砼产生的拉应力不超过ctlftk, ctl 取不大于0.5。
　　在梁中布置预应力筋，其曲线形状根据其弯矩包络图确定。钢绞线强度等级为1860Mpa,张拉控制应力con=75% fptk=1395Mpa。
　　预应力损失：(1). 预应力总损失值最小取80Mpa。 (2). 各种损失(张拉端锚具变形及钢筋内缩引起的预应力损失l1 、预应力筋与管壁之间的摩擦引起的预应力损失l2、预应力筋的应力松弛引起的预应力损失l4、砼收缩与徐变引起的预应力损失l5)按照规范与规程条款计算。
　　梁中预应力损失及有效预应力值
　　梁编号 截面
　　位置 有效预应力pe（mpa） 损失（%）
　　B5轴预应力框架梁 固定端 1077 22.8
　　 跨中 1170 16.1
　　 张拉端 1060 24
　　B7轴预应力框架梁 固定端 1073 23.1
　　 跨中 1162 16.7
　　 张拉端 1045 25.1
　　B6轴预应力框架梁 固定端 1067 23.5
　　 跨中 1181 15.3
　　 张拉端 1055 24.4
　　预应力等效荷载作用在结构上产生的荷载即预应力综合弯矩Mr。综合弯矩Mr包括偏心预应力引起的主弯矩M1和支座反力引起的次弯矩M2。
　　 M1=Aype e
　　其中：Ay为预应力筋面积；pe为各截面处的有效预应力值；e为各截面处预应力筋偏心距，M2= Mr - M1。
　　正截面抗裂验算及裂缝宽度验算，按下式计算:
　　 βs( σDc+ αL× σLc)+ σpsc- σpc< αct× ftk
　　其中:αct:为砼拉应力限制系数,在短期效应组合验算时αcts取1.0， 在长期效应组合验算时αctl取0.5;αL:为活荷载系数,短期效应组合时,取1.0,长期效应组合时取活荷载准永久系数0.5；βs:为外载内力折减系数,取1.0；σDc、σLc:分别为恒载及活载作用下抗裂验算边缘的砼法向应力；σpc:为有效预应力在抗裂验算邊缘的砼法向应力；σpsc:为有效预应力的次内力在抗裂验算边缘的砼产生的法向应力。
　　
　　
　　
　　结束语：现阶段，随着技术的不断发展与进步，预应力技术已经广泛应用于各种建筑施工过程中，并发挥其独特的技术优势，不断推动各种建筑结构体系的创新。
　　
　　
　　
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